第四章材料的生態(tài)設(shè)計(jì)

1、第四章第四章 材料的生態(tài)設(shè)計(jì)材料的生態(tài)設(shè)計(jì)環(huán)境材料學(xué)研究生課程顏學(xué)武南京理工大學(xué)全球十大環(huán)境問題全球十大環(huán)境問題l氣候變暖l臭氧層破壞l生物多樣性減少l酸雨蔓延l森林銳減l土地荒漠化l大氣污染l水體污染l固體廢棄物污染l海洋污染第四章第四章 主要內(nèi)容主要內(nèi)容l材料產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展l工業(yè)生態(tài)學(xué)l材料流分析l材料生產(chǎn)的資源效率l材料的生態(tài)設(shè)計(jì)什么是生態(tài)？什么是生態(tài)？ 源于古希臘字，意思是指“家”(house)或者我們的環(huán)境。 一切生物的生存狀態(tài)，以及它們之間和它與環(huán)境之間環(huán)環(huán)相扣的關(guān)系。 1869，德國生物學(xué)家ernst haeckel最早提出生態(tài)學(xué)的概念，它是研究動(dòng)植物及其環(huán)境間、動(dòng)物與植物之間

2、及其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響的一門學(xué)科。（eco-）人自然社會(huì)材料材料的生態(tài)設(shè)計(jì)4.1 材料產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展材料產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展l什么是可持續(xù)發(fā)展？l材料產(chǎn)業(yè)如何實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展？4.1.1 可持續(xù)發(fā)展可持續(xù)發(fā)展 1972.6.5 stockholm 聯(lián)合國人類環(huán)境研討會(huì) 界定人類在締造一個(gè)健康和富生機(jī)的環(huán)境上所享有的權(quán)利(sustainable development) 1987.4.27世界環(huán)境與發(fā)展委員會(huì) gro harlem brundtland發(fā)表了一份題為我們共同的未來的報(bào)告，提出了“可持續(xù)發(fā)展”的戰(zhàn)略思想，確定了“可持續(xù)發(fā)展”的概念?！凹葷M足當(dāng)代人的需要，又不對(duì)后代人滿足其需要能力構(gòu)成危害

3、的發(fā)展。既滿足當(dāng)代人的需要，又不對(duì)后代人滿足其需要能力構(gòu)成危害的發(fā)展?！?1992.6.3 聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展大會(huì) 官方對(duì)可持續(xù)發(fā)展討論的一個(gè)高峰 大會(huì)通過了里約熱內(nèi)盧環(huán)境與發(fā)展宣言以及二十一世紀(jì)議程4.1.1 可持續(xù)發(fā)展可持續(xù)發(fā)展(sustainable development)4.1.2 材料產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展材料產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展材料產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展可持續(xù)發(fā)展原料原料工藝工藝資源、材料流、f-4、f-10lca、指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)庫、指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)庫評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)產(chǎn)品產(chǎn)品污染控制、治理和修復(fù)，清潔生產(chǎn)，再利用，再循環(huán)生態(tài)設(shè)計(jì)，綠色材料、環(huán)境降生態(tài)設(shè)計(jì)，綠色材料、環(huán)境降解材料、環(huán)境協(xié)調(diào)材料、環(huán)境解材料、

4、環(huán)境協(xié)調(diào)材料、環(huán)境工程材料工程材料影響材料可持續(xù)發(fā)展的一些因素4.1.2 材料產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展材料產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展l開發(fā)新材料l提高資源效率、減少污染排放l政策、法律法規(guī)，iso14000 國際環(huán)境管理標(biāo)準(zhǔn)體系4.2 工業(yè)生態(tài)學(xué)工業(yè)生態(tài)學(xué)l生物圈（動(dòng)物、植物、人）的生態(tài)循環(huán)l元素的循環(huán)l工業(yè)生態(tài)循環(huán)？循環(huán)/代謝4.2 工業(yè)生態(tài)學(xué)工業(yè)生態(tài)學(xué)生物圈二號(hào)（biosphere 2） 位于美國亞利桑那州圖森市南部的oracle地區(qū)，是愛德華p巴斯及其他人員主持建造的人造封閉生態(tài)系統(tǒng)。占地1.3萬平方米，大約有8層樓高，為圓頂形密封鋼架結(jié)構(gòu)玻璃建筑物?！吧锶Χ?hào)”建造于1987年到1989年之間，它被用

5、于測試人類是否能在以及如何在一個(gè)封閉的生物圈中生活和工作，也探索了在未來的太空殖民中封閉生態(tài)系統(tǒng)可能的用途?！吧锶Χ?hào)”使得人們能在不傷害地球的前提下，對(duì)生物圈進(jìn)行研究與控制。4.2 工業(yè)生態(tài)學(xué)工業(yè)生態(tài)學(xué)l化學(xué)元素的循環(huán)4.2 工業(yè)生態(tài)學(xué)工業(yè)生態(tài)學(xué)l社會(huì)生活中的水循環(huán)4.2 工業(yè)生態(tài)學(xué)工業(yè)生態(tài)學(xué)4.2.1 工業(yè)生態(tài)學(xué)原理工業(yè)生態(tài)學(xué)原理1989年9月 美國通用公司的研究部副總裁robert frosch和負(fù)責(zé)發(fā)動(dòng)機(jī)研究的nicolas gallopoulos在科學(xué)美國人雜志上發(fā)表題為可持續(xù)工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的文章正式提出了的概念工業(yè)生態(tài)學(xué)把整個(gè)工業(yè)系統(tǒng)作為一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)來看待，認(rèn)為工業(yè)系統(tǒng)中的物質(zhì)、能

6、源和信息的流動(dòng)與儲(chǔ)存不是孤立的簡單疊加關(guān)系，而是可以像在自然生態(tài)系統(tǒng)中那樣循環(huán)運(yùn)行，它們之間相互依賴、相互作用、相互影響，形成復(fù)雜的、相互連接的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。工業(yè)生態(tài)學(xué)是一門研究社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)中自然資源從源、流到匯的全代謝過程、組織管理體制以及生產(chǎn)、消費(fèi)、調(diào)控行為的動(dòng)力學(xué)機(jī)制、控制論方法及其與生命支持系統(tǒng)相互關(guān)系的系統(tǒng)科學(xué)。工業(yè)生態(tài)學(xué)通過“供給鏈網(wǎng)”分析（類似食物鏈網(wǎng)）和物料平衡核算等方法分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化，進(jìn)行功能模擬和分析產(chǎn)業(yè)流（輸入流、產(chǎn)出流）來研究工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的代謝機(jī)理和控制方法。工業(yè)生態(tài)學(xué)的思想包含了“從搖籃到墳?zāi)埂钡娜^程管理系統(tǒng)觀，即在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期內(nèi)不應(yīng)對(duì)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)造成危害，產(chǎn)

7、品生命周期包括原材料采掘、原材料生產(chǎn)、產(chǎn)品制造、產(chǎn)品使用以及產(chǎn)品用后處理。系統(tǒng)分析是產(chǎn)業(yè)生態(tài)學(xué)的核心方法，在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的工業(yè)代謝分析和生命周期評(píng)價(jià)是目前工業(yè)生態(tài)學(xué)中普遍使用的有效方法。工業(yè)生態(tài)學(xué)以生態(tài)學(xué)的理論觀點(diǎn)考察工業(yè)代謝過程，亦即從取自環(huán)境到返回環(huán)境的物質(zhì)轉(zhuǎn)化全過程，研究工業(yè)活動(dòng)和生態(tài)環(huán)境的相互關(guān)系，以研究調(diào)整、改進(jìn)當(dāng)前工業(yè)生態(tài)鏈結(jié)構(gòu)的原則和方法，建立新的物質(zhì)閉路循環(huán)，使工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)與生物圈兼容并持久生存下去。 工業(yè)生態(tài)學(xué)的起源。什么是工業(yè)生態(tài)學(xué)？工業(yè)生態(tài)學(xué)的起源。什么是工業(yè)生態(tài)學(xué)？工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)（一級(jí)）工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)（一級(jí)）無限的資源無限的廢物一級(jí)生態(tài)系統(tǒng)工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)（二級(jí)）工業(yè)生態(tài)系

8、統(tǒng)（二級(jí)）有限的資源有限的廢物二級(jí)生態(tài)系統(tǒng)工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)（三級(jí)）工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)（三級(jí)）能源三級(jí)生態(tài)系統(tǒng)工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)（理想）工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)（理想）能源理想生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)材料制造廢棄消費(fèi)4.2.2 生態(tài)工業(yè)園生態(tài)工業(yè)園l生態(tài)工業(yè)園（eco-industry park）是建立在一塊固定地域上的由制造企業(yè)和服務(wù)企業(yè)形成的企業(yè)社區(qū)。在該社區(qū)內(nèi)，各成員單位通過共同管理環(huán)境事宜和經(jīng)濟(jì)事宜來獲取更大的環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。整個(gè)企業(yè)社區(qū)能獲得比單個(gè)企業(yè)通過個(gè)體行為的最優(yōu)化所能獲得的效益之和更大的效益。l生態(tài)工業(yè)園的目標(biāo)是在最小化參與企業(yè)的環(huán)境影響的同時(shí)提高其經(jīng)濟(jì)效益。這類方法包括通過對(duì)園區(qū)內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施和園區(qū)企業(yè)

9、（新加入企業(yè)和原有經(jīng)過改造的企業(yè)）的綠色設(shè)計(jì)、清潔生產(chǎn)、污染預(yù)防、能源有效使用及企業(yè)內(nèi)部合作。生態(tài)工業(yè)園也要為附近的社區(qū)尋求利益以確保發(fā)展的最終結(jié)果是積極的。比較成功的生態(tài)工業(yè)園的例子是丹麥凱隆堡（kalunborg）共生體系,凱隆堡已成為區(qū)域不同產(chǎn)業(yè)之間鏈接起來的模版。l生態(tài)工業(yè)園是繼經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)、高新技術(shù)開發(fā)區(qū)之后中國的第三代產(chǎn)業(yè)園區(qū)。它與前兩代的最大區(qū)別是：以生態(tài)工業(yè)理論為指導(dǎo)，著力于園區(qū)內(nèi)生態(tài)鏈和生態(tài)網(wǎng)的建設(shè)，最大限度地提高資源利用率，從工業(yè)源頭上將污染物排放量減至最低，實(shí)現(xiàn)區(qū)域清潔生產(chǎn)。與傳統(tǒng)的“設(shè)計(jì)生產(chǎn)使用廢棄”生產(chǎn)方式不同，生態(tài)工業(yè)園區(qū)遵循的是“回收再利用設(shè)計(jì)生產(chǎn)”的循環(huán)經(jīng)濟(jì)模

10、式。它仿照自然生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)方式，使不同企業(yè)之間形成共享資源和互換副產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)共生組合，使上游生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢物成為下游生產(chǎn)的原料，達(dá)到相互間資源的最優(yōu)化配置。 4.2.2 kalundborg生態(tài)工業(yè)園區(qū)生態(tài)工業(yè)園區(qū) 減少資源消耗廢物重新利用減少溫室效應(yīng)總投資：$60m/20a石油：45 kton/a爐灰：130 kt/aco2：175 kt/a總效益：$200m/20a煤炭：15 kton/a硫：4.5 kt/aso2：10.2 kt/a投資回收期：5a水：600 km3/a石膏：9 kt/a氮：1.44 kt/a磷：600 t/a經(jīng)濟(jì)效益環(huán)境效益4.2.2 生態(tài)工業(yè)園區(qū)生態(tài)工業(yè)園區(qū)l

11、美國l加拿大l中國南海國家生態(tài)工業(yè)建設(shè)示范園區(qū)南海國家生態(tài)工業(yè)建設(shè)示范園區(qū)這是中國第一個(gè)全新規(guī)劃、實(shí)體與虛擬結(jié)合的生態(tài)工業(yè)示范園區(qū)，包括核心區(qū)的環(huán)?？萍籍a(chǎn)業(yè)園區(qū)和虛擬生態(tài)工業(yè)園區(qū)。以環(huán)保產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，將制造業(yè)、加工業(yè)等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)納人生態(tài)工業(yè)鏈體系。重點(diǎn)培育設(shè)備加工、塑料生產(chǎn)、建筑陶瓷、鋁型材和綠色板材等5個(gè)主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)生態(tài)群落。生態(tài)工業(yè)系統(tǒng)類似于自然生態(tài)系統(tǒng)，12個(gè)企業(yè)將組成一個(gè)生產(chǎn)消費(fèi)分解閉合的循環(huán)。廣西貴港國家生態(tài)工業(yè)（制糖）示范園區(qū)廣西貴港國家生態(tài)工業(yè)（制糖）示范園區(qū)這是中國第一個(gè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)試點(diǎn)。該園區(qū)以上市公司貴糖（集團(tuán)）股份有限公司為核心，以蔗田系統(tǒng)、制糖系統(tǒng)、酒精系統(tǒng)、造紙系統(tǒng)、熱電聯(lián)產(chǎn)

12、系統(tǒng)、環(huán)境綜合處理系統(tǒng)為框架建設(shè)的生態(tài)工業(yè)（制糖）示范園區(qū)。蘇州工業(yè)園區(qū)蘇州工業(yè)園區(qū)l綜合類生態(tài)工業(yè)園區(qū)標(biāo)準(zhǔn)（試行）（hj/t 274-2006）4.3 材料流分析材料流分析l材料流材料流理論是指用數(shù)學(xué)物理方法對(duì)在工業(yè)生產(chǎn)過程中按照一定的生產(chǎn)工藝所投入的原材料的流動(dòng)方向和數(shù)量大小的一種定量分析理論。 (material flow)steel自然界 8t 鐵礦 1t 鋼 0.7t 金屬制品 0.5t 成品 使用 自然界6.25 實(shí)際利用率4.3.1 代表性理論代表性理論l1995，德國wuppertal institute的von weizsaecker教授首先提出l專著四倍因子:半份消耗,倍數(shù)

13、產(chǎn)出出版，使該理論有了明確的科學(xué)含義.其意思是指在經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和生產(chǎn)過程中,通過采取各種技術(shù)措施,將能源消耗,資源消耗降低一半,同時(shí)將生產(chǎn)效率提高一倍.由此,在同樣能源消耗和資源消耗的水平上,得到了四倍的產(chǎn)出.材料流理論材料流理論幾種代表理論幾種代表理論r資源效率p產(chǎn)品產(chǎn)出量i原材料,能源投入量r 4pi20.5a factor 4 (f-4)4.3.1 代表性理論代表性理論l1994，德國wuppertal institute的schmidt-bleek教授首先提出l國際f-10俱樂部：專著人類需要多大的世界出版，提出“單位服務(wù)的材料消耗”(mips)概念l1997，f-10俱樂部向全世界發(fā)表了

14、著名的致政府和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)袖的卡諾勒斯宜言,明確提出了在一代人之內(nèi),將資源和能源的生產(chǎn)效率提高十倍的目標(biāo)以及實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)應(yīng)采取的技術(shù)措施.材料流理論材料流理論幾種代表理論幾種代表理論資源效率提高10倍：1、縮小貧富差距；2、子孫后代在地球上繼續(xù)生存i環(huán)境影響p人口gdp國內(nèi)生產(chǎn)總值i p gdppigdpb factor 10 (f-10)4.3.b factor 10 (f-10)l德國schmidt-bleek于1994年率先提出的.必須繼續(xù)減小全球的材料流材料流量,在一代人之內(nèi)將資源效率提高十倍,才能使發(fā)達(dá)國家保持現(xiàn)有的生活質(zhì)量,逐步縮小國與國之間的貧富差距,且可以讓子孫后代能夠在這個(gè)星球繼續(xù)

15、生存.十倍因子的概念與環(huán)境保護(hù)是直接相關(guān)的.schmidt-bleek教授用一個(gè)方程式將環(huán)境影響,人口和一個(gè)國家的國內(nèi)生產(chǎn)總值關(guān)聯(lián)起來,見式(2-2).他推測,到2050年地球上的人口將在現(xiàn)在的基數(shù)上增加1倍,即p等于2;同時(shí),世界各國的國內(nèi)生產(chǎn)總值(gdp)屆時(shí)將增長36倍,取平均值為5,則二者之積為10.由此,對(duì)環(huán)境的影響將增加10倍.為了保持現(xiàn)有的生態(tài)環(huán)境水平,必須通過提高資源效率來平衡和補(bǔ)償對(duì)環(huán)境的破壞.因此,我們必須將資源效率和能源效率提高10倍,才有可能真正實(shí)現(xiàn)社會(huì),經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展.(2-2)式中:i表示環(huán)境影響;p表示人口;gdp表示國內(nèi)生產(chǎn)總值.在提出十倍因子理論的同時(shí),sc

16、hmidt-bleek教授于1994年在法國創(chuàng)建了國際f-10俱樂部,旨在推行十倍因子理論和實(shí)踐.1997年,f-10俱樂部向全世界發(fā)表了著名的致政府和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)袖的卡諾勒斯宜言,明確提出了在一代人之內(nèi),將資源和能源的生產(chǎn)效率提高十倍的目標(biāo)以及實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)應(yīng)采取的技術(shù)措施.宣言指出,進(jìn)入經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的所有物質(zhì)或遲或早都要被消耗或排放進(jìn)入環(huán)境,到頭來是環(huán)保費(fèi)用的持續(xù)增長.因此,要降低環(huán)保費(fèi)用,首先需要降低和減少物質(zhì)從自然界(即環(huán)境)流入經(jīng)濟(jì)活動(dòng)圈的量,從而減少污染物排放置.通過減少污染物的處理量,最后使環(huán)保投資費(fèi)用降低.材料流理論材料流理論幾種代表理論幾種代表理論4.3.1 代表性理論代表性理論材料流理

17、論材料流理論幾種代表理論幾種代表理論i 物質(zhì)總投入量p1，p2 產(chǎn)品產(chǎn)量w1，w2 廢物產(chǎn)出量i （p1p2）（w1w2）pwc 極值理論極值理論中國中國國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃l到2020年的重點(diǎn)任務(wù)之一：生態(tài)建設(shè),環(huán)境保護(hù)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)科技問題l我國環(huán)境形勢的總體評(píng)價(jià)：已進(jìn)入持續(xù)性生態(tài)資源短缺和大范圍復(fù)雜性環(huán)境污染新階段,導(dǎo)致本應(yīng)在不同階段出現(xiàn)的問題在短期內(nèi)集中體現(xiàn)和爆發(fā)出來.總體環(huán)境狀況處在局部改善,整體惡化的發(fā)展態(tài)勢.l未來我國環(huán)境將面臨社會(huì),經(jīng)濟(jì)的巨大壓力和進(jìn)一步惡化的威脅.2020年我國要實(shí)現(xiàn)gdp翻2翻,將進(jìn)入工業(yè)化中期,環(huán)境會(huì)出現(xiàn)新的惡化趨勢,提高資源生產(chǎn)率(4

18、倍)是最迫切的問題l戰(zhàn)略目標(biāo):生態(tài)與環(huán)境得到改善,資源利用率顯著提高,建立適合我國國情的生態(tài)與環(huán)境科學(xué)理論和技術(shù)體系.力爭2010年環(huán)境不再惡化;2020年環(huán)境有明顯改善 材料流分析的主要指標(biāo)及計(jì)算公式材料流分析的主要指標(biāo)及計(jì)算公式指 標(biāo)簡 寫計(jì) 算 公 式直 接 物 質(zhì) 投 入 （ directed material input）dmi國 內(nèi) 物 質(zhì) 開 采 +進(jìn) 口物 質(zhì) 總 投 入 （ total material input）tmi國 內(nèi) 物 質(zhì) 開 采 +國 內(nèi) 隱 藏 流國 內(nèi) 物 質(zhì) 總 需 求 （ domestic total material requirement）dtmr

19、 國 內(nèi) 物 質(zhì) 開 采 +國 內(nèi) 隱 藏 流物 質(zhì) 總 需 求 （ total material requirement）tmr物 質(zhì) 總 投 入 +國 外 隱 藏 流國 內(nèi) 過 程 排 放 （ domestic processing output）dpo廢 物 排 放 +產(chǎn) 品 浪 費(fèi) 和 損 失直 接 物 質(zhì) 輸 出 （ direct material output)dmo國 內(nèi) 過 程 排 放 +出 口國 內(nèi) 總 排 放 （ total domestic output)tdo國 內(nèi) 過 程 排 放 +國 內(nèi) 隱 藏 流物 質(zhì) 總 輸 出 （ total material consump

20、tion)tmc國 內(nèi) 總 排 放 +出 口國 內(nèi) 物 質(zhì) 消 費(fèi) （ domestic material consumption）dmc直 接 物 質(zhì) 投 入 -出 口物 質(zhì) 總 消 費(fèi) （ total material consumption）tmc物 質(zhì) 總 需 求 -出 口 -國 外 隱 藏 流儲(chǔ) 存 凈 增 量 （ net addition to stock）nas物 質(zhì) 總 需 求 -物 質(zhì) 總 輸 出實(shí) 物 貿(mào) 易 平 衡 （ physical trade balance）ptb進(jìn) 口 -出 口物 質(zhì) 輸 入 指 標(biāo)物 質(zhì) 輸 出 指 標(biāo)物 質(zhì) 消 耗 指 標(biāo)4.3.2 材料流理論的應(yīng)用實(shí)踐材料流理論的應(yīng)用實(shí)踐l如何提高資源的利用效率,節(jié)約能源,減少環(huán)境污染,許多國